婁中華 拓峰鵬 靳壯壯.

1.中鐵五局集團(tuán)建筑工程有限責(zé)任公司 貴州 貴陽 550081

2.貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 貴州 貴陽 550025

0 引言

BIM技術(shù)集成了項目建設(shè)生命周期中所有相關(guān)詳細(xì)信息，可為施工建設(shè)提供直觀展示，已廣泛應(yīng)用于復(fù)雜建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，可以顯著的提高施工質(zhì)量和施工效率，縮短工期，大大降低成本[1]。

污水處理作為市政工程中的重要組成部分，施工過程涉及多個單體，包含復(fù)雜的異性二次結(jié)構(gòu)、管道、設(shè)備安裝等工程[2-4]。由于污水處理廠中的異型二次結(jié)構(gòu)尺寸多變形狀各異，精度要求高，施工難度極大，再加上施工人員對圖紙的理解存在偏差導(dǎo)致施工錯誤或遺漏，嚴(yán)重影響施工質(zhì)量。為保證異型二次結(jié)構(gòu)具有更好的施工效果，需對模板進(jìn)行選型和受力驗算，使模板產(chǎn)生最小的應(yīng)力和變形量，保證模板具有足夠的強(qiáng)度，避免應(yīng)力集中[5-8]。

本文以清鎮(zhèn)市東門河三年變清水環(huán)境綜合項目一期工程，包括娃娃橋污水處理廠為例，針對異型二次結(jié)構(gòu)施工存在的問題，提出了異型二次結(jié)構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)及工藝，同時，為驗證鋼結(jié)構(gòu)模板的強(qiáng)度，對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元靜應(yīng)力數(shù)值模擬計算。

1 工程概況

清鎮(zhèn)市東門河三年變清水環(huán)境綜合項目一期工程，包括娃娃橋污水處理廠，日處理污水2萬噸、爭旗沖污水處理，日處理污水1萬噸廠，污水處理工藝為FBBR生化池+高效沉淀池+活性砂濾池工藝為主體的三級生化處理工藝。

圖1 高效沉淀池三維模型Fig.1 three dimensional model of high efficiency sedimentation tank

本工程主要應(yīng)用Revit進(jìn)行結(jié)構(gòu)專業(yè)、安裝專業(yè)模型建立及深化，利用SketchUp對異型二次結(jié)構(gòu)進(jìn)行單獨(dú)建模拆分組合指導(dǎo)施工[5]。這種將常規(guī)CAD二維圖紙信息轉(zhuǎn)化為三維模型避免了因理解的偏差造成錯誤導(dǎo)致問題擴(kuò)大，顯著提高施工效率。

2 異型二次結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及BIM建模

2.1 異型二次結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 在污水處理廠土建施工中，在主體結(jié)構(gòu)施工完畢達(dá)到工藝要求后，開始對復(fù)雜的異型結(jié)構(gòu)進(jìn)行二次混凝土澆筑。整個施工結(jié)構(gòu)包含高效沉淀池中的球面二次結(jié)構(gòu)、砂濾池中的多個椎體組合，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，施工難度極大。因此，需對關(guān)鍵承載部件進(jìn)行受力分析，驗證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，保證施工質(zhì)量。

圖2 高效沉淀池、活性砂濾池二次結(jié)構(gòu)模型Fig.2 secondary structure model of high efficiency sedimentation tank and active sand filter

2.2 異型二次結(jié)構(gòu)建模 由于異型構(gòu)建一次性施工難度較大，為了便于模板的組裝加固、拆模、混凝土澆筑施工，采用先拆分后組合的方式進(jìn)行施工。本研究中將兩個砂濾池的共計12個正八邊形倒錐拆分為8個面進(jìn)行放樣加固，沉淀池中的8個球面拆分為三個面再組合放樣施工。

本工程應(yīng)用SU軟件進(jìn)行異型二次結(jié)構(gòu)的二次建模，由于FBBR污水處理工藝中對二次結(jié)構(gòu)精度要求極高且避免施工過程中對圖紙理解差異導(dǎo)致返工，建模過程中充分理解工藝原理及設(shè)計意圖將二次結(jié)構(gòu)拆分為若干單元，保證砂濾池中的倒八角錐在標(biāo)高尺寸以及預(yù)埋件位置精準(zhǔn)，將沉淀池中的球面設(shè)計為矩形體與球體的組合體，保證在刮泥機(jī)的作用下不堆積污泥，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 a.砂濾池倒八角錐模型 b.沉淀池球面二次結(jié)構(gòu)模型Fig.3 a.inverted octagonal cone model of sand filter b.secondary structure model of ball surface of sedimentation tank

3 異型二次結(jié)構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)及工藝

3.1 異型構(gòu)件施工技術(shù)要點(diǎn)

(1)異型構(gòu)件分析、模板選用及加固方式的選取。施工過程中必須保證異型構(gòu)建放樣精確、施工精度高，工藝誤差控制在±2mm以內(nèi)，否者不利于后期水處理工藝。此外，由于池體深度達(dá)6m，池壁光滑，池底幾乎全部為需施工的異型結(jié)構(gòu)，僅剩余約0.01m2的空間，模板加固無著力點(diǎn)，因此需選用模具加工需要專業(yè)廠家制作的碳鋼模具，并安裝高強(qiáng)度化學(xué)螺栓來固定，防止因模板底部小、上部大使模板與混凝土接觸面積增大而產(chǎn)生鋼模容易上浮，造成施工質(zhì)量事故。最后，正八邊形倒錐施工完成后，再進(jìn)行三角錐安裝施工。由于其體積較小，可先進(jìn)行預(yù)制，待達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后，再進(jìn)行安裝。

(2)建立模板加固體系。對拆分后的底部正八邊形倒錐加固體系進(jìn)行建模，用M24*300化學(xué)螺栓進(jìn)行底部固定，碳鋼模具為正八邊形倒錐，邊長1000mm，高度1850mm，利用預(yù)埋件加固，鋼管做斜撐，間距1m，如圖4所示。

圖4 a.碳鋼鋼模平面圖 b.碳鋼鋼模立面圖Fig.4 a.plan of carbon steel form work b.elevation of carbon steel form work

(3)受力驗算。由于混凝土澆筑與已建成的構(gòu)筑物中，剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性均應(yīng)能滿足要求，存在的問題是鋼模自身的穩(wěn)定和混凝土澆筑時帶來的浮力會托舉鋼模。根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009-2012、《建筑施工模板安全技術(shù)規(guī)范》JGJ162-2008，《組合鋼模板技術(shù)規(guī)范》(GBJ214)，單個鋼模排水體積為：

公式中a=1m，高度h=1.8m，可計算出排水體積v=2.897m3

混凝土向上浮力：

由鋼模的重力G=mg，此處m=2000kg，可計算出需要增加的配重重力為：

由上式可計算出需要增加加載質(zhì)量為4.98t，按照1.2倍系數(shù)進(jìn)行加載為6t。為保證均勻受力，設(shè)置砂箱長度按照單個碳鋼鋼模長度2.44*2.44*1m。此計算過程，未考慮底部化學(xué)螺栓拉力，鋼管斜撐的作用，用臂架泵進(jìn)行澆筑，未考慮傾倒混凝土對模板產(chǎn)生的側(cè)壓力，在施工過程中切忌集中澆筑，需要對稱均勻布料。

3.2 整體施工工藝及技術(shù)要點(diǎn) 污水處理廠異型二次結(jié)構(gòu)施工的基本工藝流程為：測量定位——化學(xué)螺栓安裝——安裝錐斗模板——澆筑混凝土——拆模清理池底建筑垃圾，下面將詳細(xì)闡述各工藝的技術(shù)要點(diǎn)。

(1)測量定位

a.根據(jù)工藝設(shè)計施工圖計算出鉆孔位置坐標(biāo)；

b.現(xiàn)場放線，圖5a所示；

c.與現(xiàn)場實際情況對比，校核鉆孔位置圖5b所示。

圖5 a.定位放線b.鉆孔Fig.5a.positioning and setting out b.drilling

鉆孔完成后，對孔洞進(jìn)行吹掃干凈，然后注入高強(qiáng)度化學(xué)螺栓藥劑，藥劑的成分為反應(yīng)樹脂、固化劑和石英顆粒(玻璃瓶裝)。注入藥劑后，立即將化學(xué)螺栓插入鉆孔內(nèi)，待硬化后再進(jìn)行下一步工序，裝藥的過程中要注意人身安全保護(hù)，防止藥劑濺到身上。注意控制化學(xué)螺栓安裝垂直度，確保后續(xù)鋼模安裝精度。

藥劑反應(yīng)的快慢隨溫度的升高而加快，氣溫較低，藥劑反應(yīng)時間會延長，延誤施工。藥劑反應(yīng)時間一般為2h，施工過程中可通過在藥劑中加入適量保溫劑來縮短反應(yīng)時間。藥劑在反應(yīng)規(guī)定時間后，檢查化學(xué)螺栓的穩(wěn)固程度，垂直度。待化學(xué)螺栓固定后才可進(jìn)行下一步工序。反之，則進(jìn)行整改，直至符合要求為止。

(2)化學(xué)螺栓安裝。采用沖擊鉆鉆孔，技術(shù)參數(shù)為：

鉆孔直徑D=32mm；鉆孔深度h=200mm；

底盤抵抗線W=20cm；化學(xué)螺栓型號為M24*300mm。

化學(xué)螺栓固定后，先進(jìn)行底部墊圈安裝，同時對底錐模板混凝土接觸面涂裝脫模劑，然后通過50t吊車吊裝模具至池內(nèi)進(jìn)行安裝。待底錐模板安裝完成后，進(jìn)行模板頂面調(diào)平，使得模板在同一標(biāo)高位置，同時復(fù)核模板平面位置及標(biāo)高，平面位置控制在±5mm以內(nèi)，誤差控制在-5mm至0mm以內(nèi)，嚴(yán)禁超出設(shè)計標(biāo)高，寧低勿高，如圖6所示。

圖6 a.化學(xué)螺栓固定 b.調(diào)平Fig.6 a.Chemical bolt fixation b.leveling

(3)安裝錐斗模板

a.底部化學(xué)螺栓固定，提供向下的拉力。

b.二次結(jié)構(gòu)模板加固時，無支撐點(diǎn)。考慮在主體結(jié)構(gòu)施工時，池壁上設(shè)置預(yù)埋件作為受力支撐點(diǎn)進(jìn)行加固，用φ48*5mm鋼管進(jìn)行支撐加固。

c.通過受力計算，分析模板浮力，鋼管支撐能抵消的浮力，鋼模上方通過堆載砂箱，增加垂直向下的受力，防止模板上浮，安裝現(xiàn)場如圖7所示。

圖7 A.模板吊裝 B.模板加固Fig.7 a.form work hoisting b.form work reinforcement

(4)底錐混凝土澆筑。在模板加固完成后，進(jìn)行底錐混凝土澆筑?；炷恋燃墳镃30，48m汽車泵澆筑，混凝土澆筑時，控制模板兩側(cè)對稱實現(xiàn)勻速分層澆筑，測量監(jiān)控點(diǎn)與混凝土的澆筑同時進(jìn)行，減小施工荷載。切忌每個位置集中放料，隨時檢查混凝土澆筑過程中模板是否出現(xiàn)位移，若遇模板上浮或位移，必須停止施工，檢查情況，糾正后方能繼續(xù)施工。

圖8 混凝土澆筑Fig.8 concrete pouring

4 異型二次結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部件數(shù)值模擬

砂濾池椎體結(jié)構(gòu)作為污水處理廠整體結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部件，控制碳鋼模板整體變形量可保證較高的施工質(zhì)量，使砂濾池椎體更光滑、裂縫紋理更小。根據(jù)施工要求，用高強(qiáng)度化學(xué)螺栓固定碳鋼模板。為保證在灌漿過程中砂濾池椎體結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度，使其在施工過程中不易損壞，本文采用有限元數(shù)值模擬方法模擬灌漿過程至鋼模板拆除整個階段碳鋼模板的整體變形和應(yīng)力情況，為實際施工提供理論指導(dǎo)。

4.1 有限元建模 將建立的碳鋼模模型導(dǎo)入有限元軟件ANSYS中，對八角錐碳鋼模板采用自動網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格尺寸為1mm，網(wǎng)格劃分時忽略部分倒角、圓角和螺栓等對分析結(jié)構(gòu)影響較小的非承載連接件，模型劃分為87508個節(jié)點(diǎn)，49577個單元，網(wǎng)格平均質(zhì)量為0.84，表明網(wǎng)格劃分質(zhì)量較好。將底部螺栓處選擇為固定約束，根據(jù)實際情況，八角錐碳鋼模板受到混凝土施加的橫向均布載荷10k N，載荷及約束情況如圖9所示。

圖9 施加約束及載荷情況Fig.9 Constraints and Loads

4.2 結(jié)果及分析 在添加的約束及載荷下，對碳鋼模板進(jìn)行有彈性應(yīng)變及靜應(yīng)力分析，其結(jié)果如圖10所示。

圖10 碳鋼模板彈性應(yīng)變及靜應(yīng)力分析結(jié)果Fig.10 Elastic strain and static stress analysis results of carbon steel template

由圖10可知，碳鋼模板的最大彈性應(yīng)變?yōu)?.3297×10-5mm，彈性應(yīng)變位置主要集中在開口部位，最大應(yīng)力δmax=2.5735MPa，最大變形量δmax=0.0656MPa，應(yīng)力和應(yīng)變集中區(qū)域均分布在鋼板開口位置處。根據(jù)機(jī)架所選用材料屈服強(qiáng)度為235MPa，由材料力學(xué)第四強(qiáng)度理論(式4)可判定鋼模板結(jié)構(gòu)是否滿足強(qiáng)度要求，由式(5)可得其許用應(yīng)力[9-10]。

式中：δ1、δ2、δ3分別為鋼模板受到的3個法向的應(yīng)力；[δ]為材料許用應(yīng)力；[δS]為材料Q235的極限屈服強(qiáng)度，其值為235MPa；nS為材料安全系數(shù)，一般靜載下，對于塑性材料可取nS=1.5～2.0，本文取nS=2。

由式(4)和式(5)計算可得，[δ]=117.5MPa，

而δmax=2.5735MPa＜[δ]=130.56MPa，鋼模板受到的最大應(yīng)力均小于鋼結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力，且整個鋼模板結(jié)構(gòu)的變形量也較小，由此可以看出鋼模板具有很好的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，對于分析中應(yīng)變和變形量產(chǎn)生于鋼模板開口處，可通過在開口處增加支撐結(jié)構(gòu)而減小應(yīng)變和變形量發(fā)生。

5 施工效果

在混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計要求后，進(jìn)行底錐模板的拆除。模板拆除時，先進(jìn)行螺栓的拆除，人工配合汽車吊拆除底錐模具，模具拆除后，再拆除墊圈。根據(jù)規(guī)范對混凝土進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，其綜合效果如圖11所示。

圖11 鋼模拆除后外觀效果Fig.11 appearance effect of steel form work after removal

6 結(jié)論

由于污水處理工藝及后續(xù)安裝施工原因，市政污水處理廠二次具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、施工標(biāo)準(zhǔn)高、難度大的特點(diǎn)，造成許多二次結(jié)構(gòu)達(dá)不到工藝要求而導(dǎo)致返工，增加了成本投入，影響工期。本文針對異型二次結(jié)構(gòu)施工存在的問題，提出了異型二次結(jié)構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)及工藝，同時，為驗證鋼結(jié)構(gòu)模板的強(qiáng)度，對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元靜應(yīng)力數(shù)值模擬計算，得出的主要結(jié)論如下：

(1)通過采用BIM技術(shù)對污水處理廠中的異型二次結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，將二維圖紙轉(zhuǎn)化為三維立體模型，并對二次結(jié)構(gòu)形狀特點(diǎn)進(jìn)行分析，將難以一次成型的異型構(gòu)件進(jìn)行拆分組合，找到合適的施工方式，準(zhǔn)確確定空間幾何位置。

(2)通過對異型二次結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，提出了采用碳鋼模板+化學(xué)螺栓固定和利用預(yù)埋件加固，鋼管做斜撐的異型模板施工方法，并進(jìn)行異型構(gòu)件中由于鋼模自身受到浮力而影響其穩(wěn)定和混凝土澆筑性能進(jìn)行受力驗算。

(3)提出了污水處理廠異型二次結(jié)構(gòu)的施工工藝，并詳細(xì)闡述各工藝的技術(shù)要點(diǎn)。

(4)對砂濾池椎體結(jié)構(gòu)碳鋼模板結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元數(shù)值模擬計算，得出鋼結(jié)構(gòu)模板的最大變形量為0.0655mm，最大應(yīng)力為2.7535MPa，鋼模板受到的最大應(yīng)力均小于鋼結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力，且整個鋼模板結(jié)構(gòu)的變形量也較小，鋼模板具有很好的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，完全滿足施工要求。